Effects of advanced process approaches on electromigration degradation of Cu on-chip interconnects

Einfluss fortgeschrittener Herstellungsvarianten auf die durch Elektromigration hervorgerufene Degradation von Kupferleiterbahnen

  • This thesis provides a methodology for the investigation of electromigration (EM) in Cu-based interconnects. An experimental framework based on in-situ scanning electron microscopy (SEM) investigations was developed for that purpose. It is capable to visualize the EM-induced void formation and evolution in multi-level test structures in real time. Different types of interconnects were investigated. Furthermore, stressed and unstressed samples were studied applying advanced physical analysis techniques in order to obtain additional information about the microstructure of the interconnects as well as interfaces and grain boundaries. These data were correlated to the observed degradation phenomena. Correlations of the experimental results to recently established theoretical models were highlighted. Three types of Cu-based interconnects were studied. Pure Cu interconnects were compared to Al-alloyed (CuAl) and CoWP-coated interconnects. The latter two represent potential approaches that address EM-related reliability concerns. It wasThis thesis provides a methodology for the investigation of electromigration (EM) in Cu-based interconnects. An experimental framework based on in-situ scanning electron microscopy (SEM) investigations was developed for that purpose. It is capable to visualize the EM-induced void formation and evolution in multi-level test structures in real time. Different types of interconnects were investigated. Furthermore, stressed and unstressed samples were studied applying advanced physical analysis techniques in order to obtain additional information about the microstructure of the interconnects as well as interfaces and grain boundaries. These data were correlated to the observed degradation phenomena. Correlations of the experimental results to recently established theoretical models were highlighted. Three types of Cu-based interconnects were studied. Pure Cu interconnects were compared to Al-alloyed (CuAl) and CoWP-coated interconnects. The latter two represent potential approaches that address EM-related reliability concerns. It was found that in such interconnects the dominant diffusion path is no longer the Cu/capping layer interface for interconnects as in pure Cu interconnects. Instead, void nucleation occurs at the bottom Cu/barrier interface with significant effects from grain boundaries. Moreover, the in-situ investigations revealed that the initial void nucleation does not occur at the cathode end of the lines but several micrometers away from it. The mean times-to-failure of CuAl and CoWP-coated interconnects were increased by at least one order of magnitude compared to Cu interconnects. The improvements were attributed to the presence of foreign metal atoms at the Cu/capping layer interface. Post-mortem EBSD investigations were used to reveal the microstructure of the tested samples. The data were correlated to the in-situ observations.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wird eine Methode zur direkten Beobachtung der Elektromigration (EM) in Cu-basierten Leitbahnen vorgestellt. Das experimentelle Verfahren basiert auf in-situ-Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop. Die Bildung und Weiterentwicklung von Hohlräumen in mehrlagigen Teststrukturen aufgrund von elektromigration kann in Echtzeit verfolgt werden. Unterschiedliche Leitbahntypen wurden auf diese Weise untersucht. Desweiteren wurden physikalische Analytikmethoden angewendet, um zusätzliche Informationen über das Gefüge und die Grenzflächen der Leitbahnen zu erhalten. Diese Informationen wurden mit den Beobachtungen aus den in-situ-Untersuchungen in Zusammenhang gebracht. Übereinstimmungen der experimentellen Ergebnisse mit aktuellen theoretischen Modellen wurden hervorgehoben. Drei Typen kupferbasierter Leitbahnen wurden untersucht. Herkömmliche Kupferleitbahnen wurden mit Aluminium-legierten (CuAl) und CoWP-beschichteten Leitbahnen verglichen. Die letzteren beiden Typen stellen potentielle Alternativen dar, dieIn dieser Arbeit wird eine Methode zur direkten Beobachtung der Elektromigration (EM) in Cu-basierten Leitbahnen vorgestellt. Das experimentelle Verfahren basiert auf in-situ-Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop. Die Bildung und Weiterentwicklung von Hohlräumen in mehrlagigen Teststrukturen aufgrund von elektromigration kann in Echtzeit verfolgt werden. Unterschiedliche Leitbahntypen wurden auf diese Weise untersucht. Desweiteren wurden physikalische Analytikmethoden angewendet, um zusätzliche Informationen über das Gefüge und die Grenzflächen der Leitbahnen zu erhalten. Diese Informationen wurden mit den Beobachtungen aus den in-situ-Untersuchungen in Zusammenhang gebracht. Übereinstimmungen der experimentellen Ergebnisse mit aktuellen theoretischen Modellen wurden hervorgehoben. Drei Typen kupferbasierter Leitbahnen wurden untersucht. Herkömmliche Kupferleitbahnen wurden mit Aluminium-legierten (CuAl) und CoWP-beschichteten Leitbahnen verglichen. Die letzteren beiden Typen stellen potentielle Alternativen dar, die Zuverlässigkeit zukünftiger Leitbahnsysteme zu verbessern. Es zeigte sich, daß in solchen Leitbahnen nicht die obere Grenzfläche zur Passivierungsschicht den dominierenden Diffusionspfad bildet, wie das in herkömmlichen Leitbahnen der Fall ist. Statt dessen wurde die Hohlraumbildung an den Grenzflächen zur Diffusionbarriere beobachtet. Der Einfluß von Korngrenzen wurde nachgewiesen. Desweiteren zeigten die in-situ-Untersuchungen, daß sich die ersten Hohlräume nicht am Kathodenende der Leitbahnen bildeten, sondern einige Mikrometer davon entfernt. Die mittlere Lebensdauer von CuAl- und CoWP-beschichteten Leitbahnen war mindestens eine Größenordnung höher als die von Kupferleitbahnen. Die Verbesserungen wurden dem Vorhandensein von Fremdmetallatomen an der oberen Grenzfläche zur Passivierungsschicht zugeschrieben. Anhand von EBSD-Untersuchungen wurde das Gefüge der getesteten Leitbahnen analysiert. Die Ergebnisse wurden mit den in-situ-Untersuchungen in Zusammenhang gebracht.show moreshow less

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Metadaten
Author: Moritz Andreas Meyer
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-3509
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Date of final exam:2007/07/12
Release Date:2007/09/17
Tag:Elektromigration; Gefüge; In-situ; Kupfer; Leiterbahn
Cu interconnects; Cu microstructure; Electromigration; In-situ
GND Keyword:Elektromigration
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Physik / Sensorik
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